在各种通风模拟实验研究中, 人们对测定风流速度分布的要求是:(1)测试仪器的探头尺寸相对于流场特性尺寸尽可能小; (2)能够多点、同时、快速测量; (3)能够远距离传输和自动记录。但是, 以往传统的机械仪器或电子仪表都无法同时满足这些要求。只有在微型计算机和传感技术迅速发展的今天, 才使具有上述特点的测试系统成为可能。本文就我们如何应用微机建立风速测定系统作一介绍。

1 测试系统

测试系统主要由热球探头、稳压电源、运算放大器、模数(A/D)和数模(D/A)转换板以及APPLE-Ⅱ微型计算机组成, 我们称为H-C风速测定系统。其主要原理是:热球探头输出随风速大小变化的电信号, 经运算放大器放大后输到模数转换板，转换成对应的数码输到计算机, 主机根据数码以及内存的探头特性曲线, 经数据处理便得到热球探头所处位置风速的大小, 最后由打印机打印出所测的风速同时将其存入磁盘。系统结构框图见图 1。为了便于使用和普及，H-C测试系统的采样、控制以及数据处理均用CP/M系统支持下的MBASIC语言^[1]。程序框图见图 2。

2 探头特性曲线

H-C风速测试系统的关键之一是探头的特性曲线, 即热球探头输出的电信号随风流速度大小变化的规律。因为它直接影响着本系统的精确度。所以, 我们首先要解决的问题是如何测定探头的特性曲线并将其存入磁盘。

H-C风速测试系统的热球探头是由北京医疗仪器厂生产的, 其特性曲线是在YY-2型风速仪校正风洞^[2]中, 借助微机完成的。其实验系统框图见图 3。

风洞中的标准风速(误差为0.5%)由计算机键盘输入，热球探头输出的毫伏级电压通过放大器，经模数转换输入计算机，最后经计算机数据处理后, 绘出探头特性曲线散点图(如图 4)并将所有实验数据存入磁盘。

图 4的实验散点图似乎可以回归成一条指数关系的曲线^[3], 即:

(1)

式中:v——风流速度; u_m——风流速度为零时, 对应输出的电压; u——风流速度为v时, 对应输出的电压; α、n——实验系数, 由实验确定。

但是, 通过实验和数据处理后, 我们发现用指数方程回归的特性曲线误差较大。

为了解决这一问题, 我们采用三次样条函数拟合u、v的对应关系作为风速v的区间插值函数。

设测定的风流速度v_i和对应的输出电压u_i(i=1, 2, 3, …, n)的一组数据为:

x₁, x₂, x₃, …, x_n-1, x_n;

y₁, y₂, y₃, …, y_n-1, y_n。

令S_i(x)为区间[x_i, x_i+1]上的函数, 根据三次样条函数方法^[4]在边界条件

下有:

(2)

式中:h_i=x_i+1-x_i;

φ_i-S_i(x_i)的二阶导数。

为了便于计算机运算和建立数据文件, 将(2)式展开并整理成:

S_i(x)=A_ix³+B_ix²+C_ix+D_i  (i=1, 2, …, n-1)的形式, 即:

(3)

φ_i可由下式求得:

(4)

根据(3)(4)两式即可求出各区间插值曲线。为了使曲线拟合得足够的精确, 应把区间[x_i, x_i+1]分成较小, 即n较大。计算机将解算出每个区间的三次方程的各项常数A_i、B_i、C_i、D_i(i=1, 2, …, n-1)存入磁盘, 以供H-C系统工作时调用。

3 特点

H-C风速测试系统具有以下特性:

a.能够同时、多点(可达16个探头)、快速测量;

b.可以远距离传送, 自动记录;

c.探头尺寸较小(8mm);

d.测量误差较小, 下表是两个探头和毕托管同时在YY-2型风洞中所测的风速;

e.操作简单, 便于监视。

4 应用实例

为了研究扁平型峒室采场的附壁风流结构, 我们应用H-C系统配合流场显示测定一个长3m、宽1.6m、高0.lm的采场模型, 模型内布置了165个测点。测定时只要平移探头和按不同用途的键钮。测定迅速、方便。测定结果与理论分析的结论^[5]相一致。图 5为计算机打印输出的采场模型6~11号剖面速度分布散点图。